Как появился мозг

Почему наш мозг так сложен? Каким образом он достиг такой степени сложности? Если мы обратимся к истории эволюции, то обнаружим, что у первых животных вообще не было мозга: это были простейшие одноклеточные организмы, чем-то напоминающие современную амебу; они плавали в жидкой среде и поглощали частички пищи, которые вместе с водой просачивались сквозь их прозрачную оболочку. По мере развития более сложных животных организмов одним из наиболее важных их преимуществ стало то, что они научились определять близлежащие источники пищи. У них начали развиваться специализированные клетки, которые способны выявлять химические изменения в окружающей среде, вызванные находящейся неподалеку пищей, тогда как другие клетки специализировались на том, чтобы направлять тело к этой пище. Кроме того, у них развивалась центральная связующая система, благодаря которой информацию, воспринимаемую ими из окружающей среды, они использовали для того, чтобы подстраивать под нее свои действия и, соответственно, направлять к ней свои движения. Эта центральная связующая система действовала как координатор между поступающей информацией и конечным действием.

И это было начало всего. Первая нервная система была устроена очень просто: она представляла собой ступенеобразную сеть из волокон, пронизывающих тело и соединенных с простыми трубками, которые мы называем нервными трубками. Нечто подобное есть у современных плоских червей, или планарий. Это, так сказать, основа основ, базовая нервная система, но мы уверены в ее эффективности, поскольку планарии здравствуют и по сей день. По мере того как организмы животных становились все сложней, усложнялась и структура нервной системы. Передний конец нервной трубки начал увеличиваться: это был своего рода координационный центр, принимавший информацию от датчиков-извещателей, распознававших источник пищи, света или какую-то другую информацию вроде вибраций, говоривших о том, что поблизости находится нечто большое. Эти датчики в конце концов стали органами чувств, а увеличившийся конец нервной трубки стал мозгом. Другая же часть трубки, шедшей вдоль тела, преобразовалась в позвоночник, а клетки, передававшие информацию к нему и от него, стали соматическими нервами. Но, каким бы сложным ни было это устройство, в основе своей оно оставалось (и остается сейчас) всего лишь трубкой. Просто сегодня на своем конце она имеет гораздо больше шишковидных наростов, чем у той же планарии.

К моменту появления динозавров устройство животных стало куда более сложным. Образовавшийся из утолщения на переднем конце нервной трубки мозг хоть был и не очень большой, но уже имел различные части, что давало ему возможность координировать различные механизмы тела, необходимые для поддержания жизнедеятельности, – потоотделение, пищеварение и сердцебиение. Этот мозг принимал информацию от органов чувств, ставших гораздо более сложными: они были не просто снабжены отдельными органами и нервами, но и неделимо связаны со специализированными участками мозга. Движение и равновесие тоже стали жизненно важными функциями, и развитие значительной части мозга было направлено на то, чтобы управлять ими. Тогда же начал развиваться некий прообраз памяти, пусть и не такой сложной, как та, которой мы пользуемся сегодня. Мозг у динозавра был крошечным по сравнению с нашим мозгом, мозгом современного человека, но, как свидетельствуют палеонтологи, даже такой мозг справлялся со своими задачами довольно-таки хорошо. Динозавры царствовали на суше многие миллионы лет, а их потомки – птицы – соседствуют с нами до сих пор.

То же самое можно сказать и о мозге других представителей животного царства вроде рыб, амфибий и пресмыкающихся: он развивался и усложнялся. Адаптация к различным экосистемам и источникам питания привела к развитию самых разных видов живых тварей. Одни экосистемы побуждали их развивать чувство обоняния, доведя его до высот совершенства и утонченности, поэтому часть мозга, заведовавшая обонянием, соответственно увеличилась. Другие экосистемы требовали острого зрения, а стало быть, увеличилась та часть мозга, которая отвечала за зрение. Некоторые животные выработали предельную чувствительность к вибрациям воздуха, а это, в свою очередь, привело к увеличению центра мозга, отвечавшего за слух, – и т. д. в том же духе. По мере развития животных, адаптировавшихся к окружающей среде, развивался и их мозг – с тем, чтобы координировать эту адаптацию.

Во времена динозавров возник другой вид животных – млекопитающие. У них стала развиваться другая особая часть мозга, которая контролировала и регулировала температуру тела. В результате млекопитающие могли вести активный образ жизни по ночам, избегая тем самым встреч с пресмыкающимися хищниками, зависевшими от солнечного света и получавшими от него тепло и энергию. Развитие млекопитающих пошло иными путями: они начали вскармливать молоком своих детенышей и обеспечивать их пищей после рождения, что давало возможность молодняку в безопасности изучать и исследовать окружающий их физический мир. Небольшая часть мозга млекопитающих специализировалась на адаптации и обучении, благодаря чему они могли быстро приспосабливаться к непредсказуемым или изменившимся условиям окружающей среды. Все это привело к тому, что, когда мир изменился и динозавры вымерли, млекопитающие сумели выжить и воспользовались теми экологическими ресурсами, которые динозаврам были уже ни к чему.

Мозг млекопитающих, как и мозг других животных, тоже адаптировался к требованиям среды. Животные, служившие добычей для хищников, стали необычайно восприимчивы к сенсорной информации, выработав острые рефлексы, позволявшие им быстро реагировать на внешнюю угрозу. Но и хищные животные тоже развивались сходным образом, поскольку инстинкт выживания требовал, чтобы они ни в чем, в том числе и в быстроте реакций, не уступали жертвам и могли схватить их. Одни животные были травоядными и жили только за счет растений, тогда как другие были всеядными и потребляли любую пищу, какую только им удавалось найти. И – что самое важное – некоторые из них жили социальными группами и сообща пользовались природными ресурсами.

Поскольку социальная жизнь стала важным фактором выживания, требовавшим постоянного взаимодействия и сотрудничества, это привело к тому, что млекопитающие стали жить в постоянно меняющейся среде, поэтому наиболее развитыми у них оказались те части мозга, которые позволяли им приспосабливаться к изменениям, общаться между собой и передавать важную информацию. Поэтому именно животным, жившим социальными группами, удалось развить многоцелевой мозг, наделявший их способностью адаптироваться к различным условиям, взаимодействовать с различными особями, отслеживать новые возможности и решать проблемы. И в одной из групп млекопитающих эти способности возымели столь большую роль, что она в конце концов возобладала над всеми другими.

Когда мы смотрим на головной мозг современного человека, то главным образом видим две его половины: ту часть, которую мы используем для обдумывания, размышлений, учебы, общения, принятия решений, воображения, да и всего того, что делает нас людьми, и другую, вмещающую более древние участки мозга, но и более обширную, подчиняющую себе почти весь мозг. А поскольку именно эта часть, эта внешняя оболочка, или кора головного мозга, делает бо́льшую часть работы, то мозг изобилует складками и морщинами, позволяя уместить в небольшое по объему пространство черепа значительную поверхность. Человеческий мозг – одна из самых поразительных вещей, известных нам сегодня, и поверьте: пока мы не оставим попыток в полной мере понять, почему он так устроен и как он действует, безработица не грозит нашим ученым – ни нынешним, ни грядущим их поколениям.

Головной мозг

В этой книге мы рассмотрим, что именно известно современным ученым о работе головного мозга и его различных функциях. Но прежде чем начать, давайте взглянем на различные части мозга: даже путем простого осмотра можно многому научиться и понять, как шло развитие каждой его части. Давайте для начала рассмотрим самые основные нервные функции, которые необходимы развивающемуся животному: способность двигаться и умение избегать боли. Это возвращает нас к древней нервной трубке. В нашей центральной нервной системе есть эквивалент такой трубки, хотя он, разумеется, имеет неизмеримо более сложную структуру. Это позвоночник – трубка с нервными волокнами, которая тянется вдоль всей спины, соединяя нервные волокна нашего тела с мозгом. Если мы рассмотрим позвоночник в поперечном сечении, то увидим, что он действительно напоминает трубу: он тоже имеет полость. Полость эта заполнена питательной жидкостью – так называемым серым веществом, состоящим по большей части из тел нервных клеток. В свою очередь, серое вещество окружено белым веществом – нервными волокнами, переносящими информацию от мозга и к мозгу. Поэтому позвоночный столб – основной путепровод для информации, которой обмениваются между собой тело и мозг. Вот почему люди, у которых поврежден позвоночник, часто оказываются парализованными: их мозг пытается привести мышцы в движение, но приказы, посылаемые мозгом, до мышц не доходят.

Рисунок 1.1. Позвоночник в поперечном сечении

Однако не всякое движение управляется мозгом. Позвоночник тоже играет здесь определенную роль: он, например, контролирует некоторые наши рефлексы, в частности быстрое сокращение мышц, происходящее в ответ на боль. Это наиболее ярко выражено в тех случаях, когда вы непроизвольно отдергиваете руку от горячей поверхности. Вы это делаете мгновенно, не задумываясь, поскольку сообщение о том, что поверхность горячая и вызывает боль, посылается от органов чувств прямо по позвоночнику. Мгновенно проносясь по этому проводнику, оно передается нервным клеткам, и уже они дают команду отдернуть руку. Так что указанному сообщению или сигналу совсем необязательно проделывать весь путь от рецепторов к мозгу. Это называется рефлексом, а поскольку рефлекс – основной механизм выживания, он контролируется древнейшей частью нервной системы. Происходит следующее: сообщение – боль, неожиданное давление или что-либо еще – воспринимается сенсорными нервными клетками, которые передают эту информацию нервным клеткам позвоночника. Отсюда сообщение незамедлительно передается двигательным, или моторным, нервным клеткам; те же связаны с мышцами и мгновенно дают им команду сократиться. Именно поэтому вы отдергиваете руку, вскидываете вверх ногу или реагируете так, как диктует непроизвольный рефлекс.

Верхняя часть позвоночника утолщается и переходит в собственно мозг, становится его частью. Утолщенная часть называется костным мозгом, и если мы примем во внимание, что именно эта часть нервной системы подверглась развитию сразу вслед за позвоночником, мы без труда поймем, что она тоже неразрывно связана с базисными функциями. Костный мозг – это та часть головного мозга, которая регулирует основные функции тела, такие как дыхание, глотание, пищеварение и сердцебиение – функции, наиболее существенные для всех животных, не считая самых простейших. Таким образом, головной мозг – это система, наделяющая животное способностью двигаться, реагировать на боль, есть, дышать и распределять питательные вещества по всему телу. Но если животное стремится выжить в этом невероятно сложном мире, ему необходимо быть настороже, быть готовым к бегству, если что-то угрожает его жизни. Продвинувшись чуть вверх от костного мозга, мы обнаружим, что ствол мозга становится еще толще, превращаясь в то, что в нейрохирургии называется средним мозгом. Средний мозг состоит из нескольких различных частей. Одна из них – это ретикулярная активирующая система, которая регулирует различные состояния организма: сон, бодрствование и внимание. У людей и других высших млекопитающих ретикулярная активирующая система способна «переключаться» на более обширные зоны коры головного мозга, так что мы оказываемся бдительны и внимательны ко всему, что происходит вокруг нас. У этой системы несколько сенсорных путей передачи информации и множество связей с другими областями мозга. Если мы как следует поразмыслим о ее эволюционном происхождении и о том, сколь насущна для животных бдительность для выживания в этом опасном мире, мы поймем, почему эта часть мозга подверглась развитию в первую очередь.

Средний мозг также включает в себя верхние и нижние двухолмия – овальные структуры, отвечающие за самые базисные сенсорные процессы: верхние двухолмия – за зрение и осязание, а нижние – главным образом за слух. Они не связаны напрямую с высшими уровнями мозга, зато имеют прямую связь с нашим вниманием и нашей двигательной системой, сразу же оповещая нас об опасности, например в случае внезапной вспышки или взрыва. Понятно, что эти системы чрезвычайно полезны для животных в процессе выживания, ведь по мере развития мозга усложняется также и их манера движения. Еще одна часть среднего мозга – варолиев мост – служит главным маршрутом, по которому осуществляется связь между телом и мозжечком. Варолиев мост не только координирует центр, отвечающий за плавность движений, но и способствует процессам сна, сопровождаемого сновидением, причем это относится как к животным, так и к людям. Есть также мнение, что он специально сформировался в процессе эволюции, с тем чтобы помочь животным в образовании нейронных проводящих путей, необходимых для поддержания плавного движения. Когда мы видим, например, спящую собаку, которой снится сон, нам ясно, что она во сне бежит за чем-то или охотится на кого-то, и это, возможно, напрямую связано с отработкой физических навыков. В главе 6 мы еще вернемся к вопросу о том, как мысленная отработка движений способствует развитию и закреплению навыков и умений.

Рисунок 1.2. Структура головного мозга

Варолиев мост связан с мозжечком – морщинистым выпуклым телом, выступающим в задней части головного мозга. Его иногда называют «малым мозгом», поскольку он способен осуществлять куда более сложные функции, чем просто поддержание в готовности двигательной системы животного. Как видим, он играет важную роль и в развитии навыков и умений. Когда мы впервые осваиваем новый навык, наши движения поначалу слишком резки, порывисты и неуклюжи, поскольку мы сознательно задумываемся над тем, как осуществить то или иное движение. Но по мере того, как мы нарабатываем эти движения, контроль над последовательностью действий переходит к мозжечку, и движения становятся плавными и автоматическими, так что нам больше нет нужды задумываться над ними. Мозжечок не планирует самостоятельных движений (это делает головной мозг), но он дает гарантию того, что все наши действия скоординированы, хорошо рассчитаны и точны.